DE69512247T2

DE69512247T2 - ELECTRODE FOR AN ARC PLASMA TORCH

Info

Publication number: DE69512247T2
Application number: DE69512247T
Authority: DE
Inventors: Richard Couch; Lifeng Luo
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: AU3006595A; US5464962A; US5601734A; AU681533B2; EP0772957B1; DE69512247D1; CA2195101A1; WO1996004771A1; EP0772957A1; JPH10504762A

Description

Field of the invention

Die Erfindung betrifft im großen und ganzen das Gebiet von Plasmalichtbogenschneidbrennern und Plasmalichtbogenschneidverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Elektrode zur Verwendung bei einem Plasmalichtbogenschneidbrenner und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektrode.The invention relates broadly to the field of plasma arc cutting torches and plasma arc cutting methods. More particularly, the invention relates to an improved electrode for use in a plasma arc cutting torch and a method of making such an electrode.

Background of the invention

Plasmalichtbogenbrenner werden allgemein beim Schneiden von Metallmaterialien eingesetzt. Ein Plasmalichtbogenbrenner weist im großen und ganzen einen Brennerkörper, eine in dem Körper montierte Elektrode, eine Düse mit einer zentralen Austrittsöffnung, elektrische Anschlüsse, Durchgänge für Kühl- und Lichtbogensteuerfluide, einen Wirbelring zum Steuern der Strömungsmuster der Fluide und eine Stromversorgung auf. Der Brenner erzeugt einen Plasmalichtbogen, der ein eingeengter ionisierter Strahl von einem Plasmagas mit einer hohen Temperatur und einem hohen Impuls ist. Das Gas kann nicht-reaktiv, z. B. Stickstoff oder Argon, oder reaktiv sein, z. B. Sauerstoff oder Luft.Plasma arc torches are commonly used in cutting metal materials. A plasma arc torch broadly comprises a torch body, an electrode mounted in the body, a nozzle with a central exit orifice, electrical connections, passages for cooling and arc control fluids, a swirl ring for controlling the flow patterns of the fluids, and a power supply. The torch produces a plasma arc, which is a confined ionized beam of plasma gas with a high temperature and high momentum. The gas may be non-reactive, such as nitrogen or argon, or reactive, such as oxygen or air.

Beim Plasmalichtbogenschneiden von einem metallischen Werkstück wird zunächst ein Zündlichtbogen zwischen der Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) erzeugt. Der Zündlichtbogen ionisiert Gas, das durch die Austrittsöffnung der Düse tritt. Nachdem das ionisierte Gas den elektrischen Widerstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück reduziert hat, wird der Lichtbogen dann von der Düse auf das Werkstück übertragen. Der Brenner wird in dieser Betriebsart mit übertragenen Plasmalichtbogen betrieben, die durch die leitende Strömung von ionisiertem Gas von der Elektrode auf das Werkstück gekennzeichnet ist, um das Werkstück zu schneiden.When plasma arc cutting a metal workpiece, a pilot arc is first created between the electrode (cathode) and the nozzle (anode). The pilot arc ionizes gas that passes through the nozzle's exit orifice. After the ionized gas reduces the electrical resistance between the electrode and the workpiece, the arc is then transferred from the nozzle to the workpiece. The torch is operated in this transferred plasma arc mode, which is characterized by the conductive flow of ionized gas from the electrode to the workpiece to cut the workpiece.

Bei einem Plasmalichtbogenbrenner, der ein reaktives Plasmagas einsetzt, ist es üblich, eine Kupferelektrode mit einem Einsatz aus einem Material mit einem hohen thermionischen Emissionsver mögen zu verwenden. Der Einsatz wird in das untere Ende von der Elektrode derart pressgepaßt, daß eine Stirnfläche von dem Einsatz, die eine Emissionsfläche bestimmt, freigelegt ist. Der Einsatz ist üblicherweise aus Hafnium oder Zirkonium hergestellt und zylindrisch ausgebildet. Obwohl die Emissionsfläche üblicherweise eben ist, ist es hauptsächlich für Zentrierzwecke bekannt, eine kleine Vertiefung in der Stirnfläche anzuordnen. Zum Beispiel fertigt und verkauft Hypertherm eine Elektrode mit einem Einsatz, der eine kleine Vertiefung in der freiliegenden Stirnfläche aufweist, für ihre 260 Ampere Sauerstoffplasmaschneidesysteme.In a plasma arc torch that uses a reactive plasma gas, it is common to use a copper electrode with an insert made of a material with a high thermionic emission ratio. The insert is press-fitted into the lower end of the electrode such that an end face of the insert defining an emitting surface is exposed. The insert is typically made of hafnium or zirconium and is cylindrical in shape. Although the emitting surface is typically flat, it is known to place a small depression in the end face, primarily for centering purposes. For example, Hypertherm manufactures and sells an electrode with an insert having a small depression in the exposed end face for their 260 amp oxygen plasma cutting systems.

Bei allen Plasmalichtbogenbrennern, insbesondere bei denen, die ein reaktives Plasmagas einsetzen, erfährt die Elektrode mit der Zeit eine Abnutzung in der Form von einer im großen und ganzen konkaven Vertiefung an der freiliegenden Emissionsfläche von dem Einsatz. Die Vertiefung bildet sich aufgrund des Ausstoßes von geschmolzenem Material mit hohen Emissionsvermögen von dem Einsatz. Die Emissionsfläche verflüssigt sich, wenn der Lichtbogen zunächst erzeugt wird, und Elektronen werden von einer geschmolzenen Menge des Materials mit einem hohen Emissionsvermögen während des Dauerbetriebs von dem Lichtbogen emittiert. Jedoch wird das geschmolzene Material von der Emissionsfläche während der drei Stufen von dem Brennvorgang ausgestoßen: (1) Inbetriebnahme des Lichtbogens, (2) Dauerbetrieb des Lichtbogens, und (3) Außerbetriebnehmen des Lichtbogens. Eine erhebliche Menge von dem Material setzt sich auf der Innenseite von der Düse ebenso wie auf der Düsenöffnung ab.In all plasma arc torches, especially those that use a reactive plasma gas, the electrode will experience wear over time in the form of a generally concave depression on the exposed emitting surface of the insert. The depression is formed due to the ejection of molten high emissivity material from the insert. The emitting surface liquefies when the arc is initially created, and electrons are emitted from a molten mass of the high emissivity material during continuous operation of the arc. However, the molten material is ejected from the emitting surface during the three stages of the burning process: (1) starting the arc, (2) continuous operation of the arc, and (3) stopping the arc. A significant amount of the material will deposit on the inside of the nozzle as well as on the nozzle orifice.

Das Problem der Ablagerung des Materials mit hohem Emissionsvermögen während der Inbetriebnahme- und Außerbetriebnahme des Plasmalichtbogens wird von den US-Patenten Nr. 5 070 227 und 5 166 494 behandelt, die gemeinsam auf Hypertherm übertragen sind. Man hat herausgefunden, daß das bis jetzt ungelöste Problem der Ablagerung des Materials mit hohen Emissionsvermögen während des Dauerbetriebs von dem Lichtbogen nicht nur die Lebensdauer der Elektrode reduziert, sondern auch eine Abnutzung der Düse bewirkt.The problem of deposition of high emissivity material during start-up and shutdown of the plasma arc is addressed by U.S. Patent Nos. 5,070,227 and 5,166,494, jointly assigned to Hypertherm. It has been found that the hitherto unsolved problem of deposition of high emissivity material during Continuous operation of the arc not only reduces the life of the electrode but also causes wear of the nozzle.

EP 0 371 128 offenbart einen Plasmalichtbogenbrenner der konstruiert ist, um die Kühlung der Materialien des Elektrodeneinsatzes durch andauerndes Bewegen eines Punktes der elektrischen Entladung in einer Ebene an dem unteren Ende von dem Einsatzmaterial, während der Plasmalichtbogen erzeugt wird, zu verbessern und ihre Abnutzung zu verringern.EP 0 371 128 discloses a plasma arc torch designed to improve the cooling of the electrode insert materials and reduce their wear by continuously moving a point of electrical discharge in a plane at the lower end of the insert material while the plasma arc is being generated.

Die Düse für einen Plasmalichtbogenbrenner wird üblicherweise aus Kupfer hergestellt, um eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit zu haben. Die Düse ist konstruiert, um einen Zündlichtbogen von kurzer Dauer und niedrigem Strom zu führen. An sich ist eine übliche Ursache einer Abnutzung der Düse die Verbindung des Lichtbogens mit der Düse, die gewöhnlich das Kupfer an der Düsenöffnung schmilzt.The nozzle for a plasma arc torch is usually made of copper to have good electrical and thermal conductivity. The nozzle is designed to carry a short duration, low current pilot arc. In fact, a common cause of nozzle wear is the contact of the arc with the nozzle, which usually melts the copper at the nozzle orifice.

Die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens, d. h. ein Lichtbogen, der von der Elektrode zu der Düse und dann von der Düse zu dem Werkstück springt, führt zu einer unerwünschten Lichtbogenverbindung. Die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens hat viele bekannte Ursachen und führt zu einer erhöhten Düsenabnutzung und/oder einer Düsenfehlfunktion. Es wurde kürzlich entdeckt, daß die Ablagerung von Einsatzmaterial mit hohem Emissionsvermögen auf der Düse auch die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens bewirkt und die Lebensdauer der Düse verkürzt.The formation of a double arc, i.e. an arc that jumps from the electrode to the nozzle and then from the nozzle to the workpiece, results in an undesirable arc connection. The formation of a double arc has many known causes and results in increased nozzle wear and/or nozzle malfunction. It has recently been discovered that the deposition of high emissivity feedstock on the nozzle also causes the formation of a double arc and shortens nozzle life.

Es ist daher eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, die Düsenabnutzung dadurch zu reduzieren, daß die Ablagerung von Material mit hohem Emissionsvermögen auf der Düse während des Schneidevorgangs auf das Mindestmaß zurückgeführt wird.It is therefore a primary object of this invention to reduce nozzle wear by minimizing the deposition of high emissivity material on the nozzle during the cutting process.

Eine weitere Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrode für einen Plasmalichtbogenbrenner anzugeben, der zu einer verbesserten Schneidequalität führt.Another main object of the invention is to provide an electrode for a plasma arc torch which leads to an improved cutting quality.

Noch eine weitere Hauptaufgabe der Erfindung ist es, das Leben der Elektrode zu bewahren, während eine Elektrode angegeben wird, die die Abnutzung reduziert.Yet another primary object of the invention is to preserve the life of the electrode while providing an electrode that reduces wear.

Summary of the invention

Eine Hauptentdeckung der vorliegenden Erfindung ist es, daß während des Betriebs eines herkömmlichen Plasmalichtbogenbrenners der Lichtbogen und die Gasströmung in der Tat die Form von der Emissionsfläche von dem Einsatz zwingen, im großen und ganzen beim Dauerbetrieb konkav zu sein. Genauer ist die Krümmung von dieser bevorzugten konkaven Form eine Funktion der aktuellen Stufe des Brenners, des Durchmessers von dem Einsatz und dem Gasströmungsmuster in dem Brenner. Da die Emissionsfläche bei herkömmlichen Brennern eine im großen und ganzen anfänglich ebene Form hat, schmilzt das Material mit hohem Emissionsvermögen während des Betriebs des Brenners und wird von dem Einsatz ausgestoßen, bis die Emissionsfläche die im großen und ganzen konkave Form aufweist. Somit ändert sich die Form der Emissionsfläche von dem Einsatz schnell, bis sie die bevorzugte konkave Form beim Dauerbetrieb erreicht.A major discovery of the present invention is that during operation of a conventional plasma arc torch, the arc and gas flow actually force the shape of the emitting surface of the insert to be generally concave during continuous operation. More specifically, the curvature of this preferred concave shape is a function of the current stage of the torch, the diameter of the insert, and the gas flow pattern in the torch. Since the emitting surface in conventional torches has a generally initially planar shape, the high emissivity material melts during operation of the torch and is expelled from the insert until the emitting surface has the generally concave shape. Thus, the shape of the emitting surface of the insert changes rapidly until it reaches the preferred concave shape during continuous operation.

Eine weitere Hauptentdeckung der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Ablagerung von dem Material mit hohen Emissionsvermögen auf der Düse während des Betriebs von dem Brenner eine Ausbildung eines doppelten Lichtbogens bewirkt, der den Rand von der Düsenöffnung beschädigt und somit die Düsenabnutzung vergrößert.Another major discovery of the present invention is that the deposition of the high emissivity material on the nozzle during operation of the torch causes the formation of a double arc which damages the edge of the nozzle orifice and thus increases nozzle wear.

Dementsprechend gibt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Elektrode für einen Plasmalichtbogenschneidbrenner an, der die Ablagerung von Material mit hohem Emissionsvermögen auf der Düse auf das Mindestmaß zurückführt. Die Elektrode weist einen länglichen Elektrodenkörper auf, der aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer, gebildet ist. Eine Bohrung ist im unteren Ende von dem Elektrodenkörper entlang einer Mittelachse durch den Körper angeordnet. Ein im großen und ganzen zylindrischer Einsatz, der aus einem Material mit hohem thermionischen Emissionsvermögen, wie zum Beispiel Hafnium, gebildet ist, ist fest in der Bohrung angeordnet. Eine Emissionsfläche ist entlang einer Stirnfläche von dem Einsatz angeordnet und gegenüber dem Plasmagas in dem Brennerkörper freilegbar.Accordingly, the present invention provides an improved electrode for a plasma arc cutting torch which minimizes the deposition of high emissivity material on the nozzle. The electrode includes an elongated electrode body formed from a high thermal conductivity material such as copper. A bore is disposed in the lower end of the electrode body along a central axis through the body. A generally cylindrical insert formed from a high emissivity material thermionic emissivity, such as hafnium, is fixedly disposed in the bore. An emission surface is disposed along an end face of the insert and is exposing to the plasma gas in the torch body.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Emissionsfläche derart geformt, daß sie eine vorbestimmte Aussparung in dem Einsatz bestimmt. Die Aussparung ist anfänglich als eine Funktion von dem Betriebsstromniveau von dem Brenner, dem Durchmesser von dem zylindrischen Einsatz und dem Plasmagasstrommuster in dem Brenner bemessen. Genauer wird hinreichend Material mit hohem Emissionsvermögen aus dem Einsatz entfernt, um eine Emissionsfläche zu schaffen, die eine Aussparung bestimmt, die anfänglich derart bemessen ist, daß die Ablagerung von derartigem Material auf der Düse während des Betriebs von dem Brenner auf das Mindestmaß zurückgeführt wird. Die Emissionsfläche kann eine Aussparung bestimmen, die im großen und ganzen konkav, im großen und ganzen zylindrisch oder von einer anderen Form ist. Die Anfangsform kann verschiedene Formen haben, weil die Emissionsfläche in die bevorzugte Form während des Betriebs des Brenners schmilzt. Da jedoch hinreichend Material anfänglich von dem Einsatz entfernt wurde, ist die Ablagerung von derartigem Material auf der Düse minimal, wenn die Emissionsfläche in die bevorzugte Form schmilzt.According to the present invention, the emission surface is shaped to define a predetermined recess in the insert. The recess is initially sized as a function of the operating current level of the torch, the diameter of the cylindrical insert, and the plasma gas flow pattern in the torch. More specifically, sufficient high emissivity material is removed from the insert to create an emission surface that defines a recess that is initially sized to minimize deposition of such material on the nozzle during operation of the torch. The emission surface may define a recess that is generally concave, generally cylindrical, or of another shape. The initial shape may have various shapes because the emission surface melts into the preferred shape during operation of the torch. However, since sufficient material was initially removed from the insert, deposition of such material on the nozzle is minimal as the emitting surface melts into the preferred shape.

Die vorliegende Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Herstellen der verbesserten Elektrode für einen Plasmalichtbogenschneidbrenner an. Ein Elektrodenkörper wird aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) gebildet, und eine Bohrung wird in einem unteren Ende von dem Elektrodenkörper ausgebildet. Ein Einsatz wird aus einem Material mit hohem thermionischen Emissionsvermögen gebildet. Der Einsatz wird in der Bohrung angeordnet, um eine Emissionsfläche von dem Einsatz freiliegend anzuordnen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine vorbestimmte Menge von dem Material mit hohem Emissionsvermögen aus dem Einsatz derart entfernt, daß die Emissionsfläche anfänglich eine Aussparung in dem Einsatz bestimmt. Die Menge von Material, die aus dem Einsatz entfernt wird, ist eine Funktion von dem Stromniveau des Brenners, dem Durchmesser von dem Einsatz und des Plasmagasstrommusters in dem Brenner.The present invention also provides a method of manufacturing the improved electrode for a plasma arc cutting torch. An electrode body is formed from a material having high thermal conductivity (e.g., copper), and a bore is formed in a lower end of the electrode body. An insert is formed from a material having high thermionic emissivity. The insert is positioned in the bore to expose an emitting surface of the insert. In accordance with the present invention, a predetermined amount of the high emissivity material is removed from the insert such that the emitting surface initially defines a recess in the insert. The amount of material removed from the insert is a function of the current level of the torch, the diameter of the insert and the plasma gas flow pattern in the torch.

Eine Elektrode, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert, bietet entscheidende Vorteile gegenüber bestehenden Elektroden. Ein Vorteil von der Erfindung ist es, daß die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens aufgrund der Ablagerung von Material mit hohem Emissionsvermögen auf der Düse durch die verbesserte Elektrodenkonstruktion auf das Mindestmaß zurückgeführt wird. Auf diese Weise werden die Lebensdauer der Düse und die Schnittqualität verbessert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Leben der Elektrode bei Elektroden bewahrt wird, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind. Weil die Menge von Material mit hohem Emissionsvermögen, die anfänglich entfernt wurde, der Menge entspricht, die von der herkömmlichen Elektrode während der ersten paar Starts ausgestoßen wird, bietet die verbesserte Elektrode Abnutzungsraten, die mit herkömmlichen Vorrichtungen vergleichbar sind.An electrode embodying the principles of the present invention offers significant advantages over existing electrodes. One advantage of the invention is that the formation of a double arc due to the deposition of high emissivity material on the nozzle is minimized by the improved electrode design. In this way, nozzle life and cut quality are improved. Another advantage is that the life of the electrode is preserved in electrodes constructed in accordance with the invention. Because the amount of high emissivity material initially removed is equal to the amount ejected from the conventional electrode during the first few starts, the improved electrode offers wear rates comparable to conventional devices.

Short description of the drawings

Die vorhergehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile von der Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung klarer, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, wobei die Betonung stattdessen auf die Darstellung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelegt wird.The foregoing and other objects, features and advantages of the invention will become more apparent from the following more particular description of the preferred embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings. The drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon illustrating the principles of the present invention.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht von einem herkömmlichen Plasmalichtbogenschneidbrenner.Fig. 1 shows a cross-sectional view of a conventional plasma arc cutting torch.

Fig. 2A zeigt eine Querschnittsteilansicht von dem in Fig. 1 gezeigten Brenner, die die erzwungene konkave Form von der Emissionsfläche des Elektrodeneinsatzes während des Betriebs des Brenners darstellt.Fig. 2A shows a partial cross-sectional view of the torch shown in Fig. 1, illustrating the forced concave shape of the emitting surface of the electrode insert during operation of the torch.

Fig. 2B zeigt eine Querschnittsteilansicht von dem in Fig. 1 gezeigten Brenner, die die Probleme der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens und der Düsenabnutzung darstellt, die durch die Hafnium- Ablagerung auf der Düse während des Betriebs des Brenners bewirkt werden.Figure 2B is a partial cross-sectional view of the torch shown in Figure 1 illustrating the problems of double arc formation and nozzle wear caused by hafnium deposition on the nozzle during operation of the torch.

Fig. 3 A-3B zeigen Querschnittsansichten von Elektroden, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpern.Figures 3A-3B show cross-sectional views of electrodes embodying the principles of the present invention.

Fig. 4A-4C zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert.Figures 4A-4C show a method of making an electrode embodying the principles of the present invention.

Detailed description

Fig. 1 zeigt in vereinfachter schematischer Form einen typischen Plasmalichtbogenschneidbrenner 10, der repräsentativ für jedes einer Vielzahl von Brennermodellen ist, die von Hypertherm, Inc. verkauft werden. Der Brenner weist einen Körper 12 auf, der üblicherweise zylindrisch ist und eine Austrittsöffnung 14 an einem unteren Ende 16 aufweist. Ein Plasmalichtbogen 18, d. h. ein Strahl von ionisiertem Gas, tritt durch die Austrittsöffnung und haftet an einem Werkstück 19, das geschnitten wird. Der Brenner ist ausgelegt, um Metall, insbesondere schweißbaren Stahl oder andere Materialien, in einer Betriebsart mit übertragenem Lichtbogen zu lochen und zu schneiden. Beim Schneiden schweißbaren Stahls wird der Brenner mit einem reaktiven Gas, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Luft, als das Plasmagas betrieben, um den übertragenen Plasmalichtbogen 18 zu bilden.Fig. 1 shows in simplified schematic form a typical plasma arc cutting torch 10, which is representative of any of a variety of torch models sold by Hypertherm, Inc. The torch includes a body 12, which is typically cylindrical and has an exit orifice 14 at a lower end 16. A plasma arc 18, i.e., a jet of ionized gas, passes through the exit orifice and adheres to a workpiece 19 being cut. The torch is designed to pierce and cut metal, particularly weldable steel or other materials, in a transferred arc mode of operation. When cutting weldable steel, the torch is operated with a reactive gas, such as oxygen or air, as the plasma gas to form the transferred plasma arc 18.

Der Brennerkörper 12 trägt eine Kupferelektrode 20 mit einem im großen und ganzen zylindrischen Körper 21. Ein Hafniumeinsatz 22 ist in das untere Ende 21a der Elektrode derart pressgepaßt, daß eine ebene Emissionsfläche 22a freiliegt. Der Brennerkörper trägt auch eine Düse 24, die von der Elektrode beabstandet ist. Die Düse weist eine Zentralöffnung auf, die die Austrittsöffnung 14 bestimmt. Ein Wirbelring 26, der an dem Brennerkörper montiert ist, weist einen Satz radial versetzter (oder verkippter) Gasverteilungslöcher 26a auf, die dem Plasmagasstrom eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente auferlegen, die veranlaßt, daß er gewirbelt wird. Dieser Wirbel erzeugt einen starken Wirbel, der den Lichtbogen beschränkt und die Position von dem Lichtbogen an dem Einsatz stabilisiert.The torch body 12 carries a copper electrode 20 having a generally cylindrical body 21. A hafnium insert 22 is press-fitted into the lower end 21a of the electrode such that a flat emitting surface 22a is exposed. The torch body also carries a nozzle 24 spaced from the electrode. The Nozzle has a central opening which defines the exit orifice 14. A swirl ring 26 mounted on the torch body has a set of radially offset (or tilted) gas distribution holes 26a which impose a tangential velocity component on the plasma gas stream which causes it to be swirled. This swirl creates a strong vortex which confines the arc and stabilizes the position of the arc on the insert.

Im Betrieb strömt das Plasmagas 28 durch das Gaseinlaßrohr 29 und die Gasverteilungslöcher in dem Wirbelring. Von dort strömt es in die Plasmakammer 30 und aus dem Brenner durch die Düsenöffnung. Ein Zündlichtbogen wird zunächst zwischen der Elektrode und der Düse erzeugt. Der Zündlichtbogen ionisiert das Gas, das durch die Düsenöffnung tritt. Der Lichtbogen wird dann von der Düse auf das Werkstück übertragen, um das Werkstück zu schneiden. Es ist klar, daß die besonderen Einzelheiten des Aufbaus von dem Brennerkörper einschließlich der Anordnung der Komponenten, dem Ausrichten der Strömungen der Gas- und Kühlfluide und dem Bereitstellen elektrischer Anschlüsse in einer weiten Vielzahl an Formen gemacht werden kann.In operation, the plasma gas 28 flows through the gas inlet tube 29 and the gas distribution holes in the vortex ring. From there it flows into the plasma chamber 30 and out of the torch through the nozzle orifice. A pilot arc is first created between the electrode and the nozzle. The pilot arc ionizes the gas which passes through the nozzle orifice. The arc is then transferred from the nozzle to the workpiece to cut the workpiece. It will be understood that the specific details of the construction of the torch body including the arrangement of the components, directing the flows of the gas and cooling fluids and providing electrical connections can be made in a wide variety of forms.

Mit Bezug auf Fig. 2A hat man entdeckt, daß während des Betriebs eines herkömmlichen Plasmalichtbogenbrenners der Lichtbogen 18 und die Gasströmung 31 in die Kammer 30 tatsächlich die Gestalt von der Emissionsfläche 32 von dem Hafniumeinsatz in eine im großen und ganzen konkave Gestalt beim Dauerbetrieb zwingen. Weil die Emissionsfläche bei einem herkömmlichen Brenner eine im großen und ganzen ebene Anfangsform aufweist, wird geschmolzenes Hafnium von dem Einsatz während des Betriebs des Brenners ausgestoßen, bis die Emissionsfläche die im großen und ganzen konkave Form hat. Somit ändert sich die Form der Emissionsfläche von dem Einsatz schnell, bis sie die erzwungene konkave Form bei Dauerbetrieb erreicht. Das Ergebnis ist eine Vertiefung 34, die in dem Einsatz ausgebildet ist.Referring to Fig. 2A, it has been discovered that during operation of a conventional plasma arc torch, the arc 18 and gas flow 31 into the chamber 30 actually constrain the shape of the emitting surface 32 of the hafnium insert into a generally concave shape during continuous operation. Because the emitting surface in a conventional torch has a generally planar initial shape, molten hafnium is expelled from the insert during operation of the torch until the emitting surface has the generally concave shape. Thus, the shape of the emitting surface of the insert changes rapidly until it reaches the constrained concave shape during continuous operation. The result is a depression 34 formed in the insert.

Man hat festgestellt, daß die Krümmung von der konkav geformten Fläche 32 eine Funktion des Stromniveaus des Brenners, des Durchmessers (A) von dem Einsatz und dem Gasstrommuster 31 in der Plasmakammer von dem Brenner ist. Somit führt das Erhöhen des Stromniveaus bei einem konstanten Einsatzdurchmesser zu einer Emissionsfläche mit einer tieferen konkav geformten Vertiefung. Auf ähnliche Weise führt das Erhöhen des Durchmessers von dem Hafniumeinsatz oder die Wirbelstärke von der Gasströmung, während ein konstantes Stromniveau beibehalten wird, zu einer tieferen konkaven Form.It has been found that the curvature of the concave shaped surface 32 is a function of the current level of the torch, the diameter (A) of the insert and the gas flow pattern 31 in the plasma chamber of the torch. Thus, increasing the current level at a constant insert diameter results in an emission surface with a deeper concave shaped depression. Similarly, increasing the diameter of the hafnium insert or the vortex strength of the gas flow while maintaining a constant current level results in a deeper concave shape.

Mit Bezug auf Fig. 2B hat man auch entdeckt, daß sich das geschmolzene Hafnium 36, das von dem Einsatz während des Betriebs des Brenners ausgestoßen wird, auf der Düse ablagert, was die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens 38 bewirkt, der den Rand von der Düsenöffnung 14 beschädigt und die Abnutzung der Düse verstärkt. Nach der Übertragung des Zündlichtbogens wird die Düse normalerweise von dem Plasmalichtbogen durch eine Schicht kalten Gases isoliert. Jedoch wird diese Isolierung durch geschmolzenes Hafnium unterbrochen, das in die Gasschicht ausgestoßen wird, wobei bewirkt wird, daß die Düse ein leichterer Weg für den übertragenen Plasmalichtbogen wird. Das Ergebnis ist die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens, wie gezeigt.Referring to Fig. 2B, it has also been discovered that the molten hafnium 36 ejected from the insert during operation of the torch deposits on the nozzle causing the formation of a double arc 38 which damages the edge of the nozzle orifice 14 and increases nozzle wear. After the pilot arc is transferred, the nozzle is normally isolated from the plasma arc by a layer of cold gas. However, this insulation is broken by molten hafnium ejected into the gas layer causing the nozzle to become an easier path for the transferred plasma arc. The result is the formation of a double arc as shown.

Gemäß der vorliegenden Erfindung führt eine verbesserte Elektrode 40 für einen Plasmalichtbogenschneidbrenner die Hafniumablagerung auf der Düse auf das Mindestmaß zurück. Die Elektrode weist einen zylindrischen Elektrodenkörper 42 auf, der aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, gebildet ist. Eine Bohrung 44 ist in das untere Ende 46 von dem Elektrodenkörper entlang einer Mittelachse (X) durch den Körper gebohrt. Ein im großen und ganzen zylindrischer Einsatz 48, der aus einem Material mit hohem thermionischen Emissionsvermögen, wie zum Beispiel Hafnium, gebildet ist, ist in die Bohrung pressgepaßt. Eine Emissionsfläche 50 ist entlang einer Stirnfläche von dem Einsatz angeordnet und gegenüber dem Plasmagas in dem Brennerkörper freilegbar.In accordance with the present invention, an improved electrode 40 for a plasma arc cutting torch minimizes hafnium deposition on the nozzle. The electrode includes a cylindrical electrode body 42 formed of a high thermal conductivity material such as copper. A bore 44 is drilled into the lower end 46 of the electrode body along a central axis (X) through the body. A generally cylindrical insert 48 formed of a high thermionic emissivity material such as hafnium is press-fitted into the bore. An emission surface 50 is disposed along an end face of the insert and is exposed to the plasma gas in the torch body.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Emissionsfläche 52 derart geformt ist, daß sie eine vorbestimmte Aussparung 52 in dem Einsatz bestimmt. Die Aussparung wird anfänglich als eine Funktion von dem Betriebsstromniveau von dem Brenner, dem Durchmesser (A) von dem zylindrischen Einsatz und dem Plasmagasstrommuster in dem Brenner dimensioniert. Aufgrund dieser Parameter wird eine hinreichende Menge von Hafnium anfänglich aus dem Einsatz entfernt, um eine Emissionsfläche zu schaffen, die eine minimale Menge an Hafnium auf der Düse während des Betriebs von dem Brenner ablagert. Die Emissionsfläche kann eine im großen und ganzen konkave Aussparung 52 (Fig. 3 A), eine im großen und ganzen zylindrische Aussparung 54 (Fig. 3B) oder andere Formen definieren. Obwohl Emissionsflächen, die Formen bestimmter Aussparungen bestimmen, aufgrund der Leichtigkeit der Herstellung wünschenswert sind, ist die anfängliche Form von der Aussparung weniger wichtig als ihre Gesamtabmessungen. Das ist der Fall, weil die Emissionsfläche während des Betriebs von dem Brenner in die bevorzugte Form schmilzt. Wichtiger ist es, daß eine hinreichende Menge von Hafnium anfänglich aus dem Einsatz entfernt werden muß, um die Hafniumablagerung auf der Düse auf das Mindestmaß zurückzuführen, wenn die Emissionsfläche in die bevorzugte Form schmilzt.One aspect of the present invention is that the emission surface 52 is shaped to define a predetermined recess 52 in the insert. The recess is initially sized as a function of the operating current level of the torch, the diameter (A) of the cylindrical insert, and the plasma gas flow pattern in the torch. Due to these parameters, a sufficient amount of hafnium is initially removed from the insert to create an emission surface that deposits a minimal amount of hafnium on the nozzle during operation of the torch. The emission surface may define a generally concave recess 52 (Fig. 3A), a generally cylindrical recess 54 (Fig. 3B), or other shapes. Although emission surfaces that define shapes of certain recesses are desirable due to ease of manufacturing, the initial shape of the recess is less important than its overall dimensions. This is because the emitting surface melts into the preferred shape during operation of the burner. More importantly, a sufficient amount of hafnium must be initially removed from the insert to minimize hafnium deposition on the nozzle as the emitting surface melts into the preferred shape.

Zur Illustration wurde ein Experiment durchgeführt, um die Anfangsform von der Emissionsfläche als eine Funktion von Stromniveau und Gasstrommuster für einen konstanten Einsatzdurchmesser zu optimieren. Eine Elektrode mit einem Einsatz, der eine Emissionsfläche aufweist, die anfänglich derart geformt ist, daß sie eine flache konkave Aussparung bestimmt, wurde anfänglich bei einem Brenner verwendet. Der Brenner wurde eingesetzt, um ein Werkstück zu schneiden. Die Abmessungen von der Aussparung und der Düsenzustand wurden nach jedem Schnitt geprüft. Man hat beobachtet, daß die Tiefe von der Aussparung nach einigen Schnitten wuchs, wenn die anfängliche Form unzureichend war. Die Düse sammelte eine merkliche Menge an Hafniumablagerung und die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens wurde beobachtet. Das Experiment wurde beendet, als die Düse zerstört wurde.To illustrate, an experiment was conducted to optimize the initial shape of the emission surface as a function of current level and gas flow pattern for a constant insert diameter. An electrode with an insert having an emission surface initially shaped to define a shallow concave recess was initially used with a torch. The torch was used to cut a workpiece. The dimensions of the recess and the nozzle condition were checked after each cut. It was observed that the depth of the recess increased after several cuts if the initial shape was inadequate. The nozzle collected a noticeable amount of hafnium deposit and the formation of a double arc was observed. The experiment was terminated when the nozzle was destroyed.

Das Experiment wurde nacheinander unter Verwendung von Elektroden mit Emissionsflächen wiederholt, die anfänglich derart geformt waren, daß sie tiefere konkave Aussparungen bestimmt, bis die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens aufgrund von Hafniumablagerung auf der Düse aufhörte. Die anfängliche Form von der Aussparung für die Elektrode, die verwendet wurde, als die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens aufhörte, wurde als die optimale Abmessung für eine Elektrode ausgewählt, die bei einem Brenner mit dem geforderten Schnittparameter einsetzbar ist. Als Beispiel und nicht zur Beschränkung arbeitet ein HT4000 Plasmabrenner, der von Hypertherm hergestellt wird, mit einem Plasmalichtbogenstrom von 340 Ampere, einem Einsatzdurchmesser von 0,072 Zoll und einem Standard HT4000 Wirbelring. Die oben beschriebenen Experimente führen zu einer Elektrode mit einer Emissionsfläche, die anfänglich derart gestaltet ist, daß sie eine im großen und ganzen konkave Aussparung mit einer Tiefe von ungefähr 0,024 Zoll (an der Mittelachse durch die Elektrode) bestimmt, um die Abnutzung der Düse auf das Mindestmaß zurückzuführen.The experiment was repeated sequentially using electrodes with emitting surfaces initially shaped to define deeper concave recesses until double arc formation ceased due to hafnium deposition on the nozzle. The initial electrode recess shape used when double arc formation ceased was selected as the optimum dimension for an electrode to be used with a torch with the required cutting parameter. As an example and not by way of limitation, an HT4000 plasma torch manufactured by Hypertherm operates with a plasma arc current of 340 amps, an insert diameter of 0.072 inches, and a standard HT4000 swirl ring. The experiments described above result in an electrode with an emitting surface initially designed to define a generally concave recess with a depth of approximately 0.024 inches (on the central axis through the electrode) to minimize nozzle wear.

Mit Bezug auf die Fig. 4A-4C gibt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der verbesserten Elektrode für einen Plasmalichtbogenschneidbrenner an. Ein Elektrodenkörper 40 ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) gebildet, und eine Bohrung 44 wird in einem unteren Ende von dem Körper (Fig. 4A) ausgebildet. Ein Einsatz 48, der aus einem Material mit hohem thermionischen Emissionsvermögen (z. B. Hafnium) gebildet ist, wird in der Bohrung angeordnet, um eine Emissionsfläche von dem Einsatz freizulegen (Fig. 4B).Referring to Figures 4A-4C, the present invention also provides a method of making the improved electrode for a plasma arc cutting torch. An electrode body 40 is formed from a high thermal conductivity material (e.g., copper) and a bore 44 is formed in a lower end of the body (Figure 4A). An insert 48 formed from a high thermionic emissivity material (e.g., hafnium) is placed in the bore to expose an emission surface of the insert (Figure 4B).

Eine vorbestimmte Menge von dem Material mit hohem Emissionsvermögen wird aus dem Einsatz derart entfernt, daß die Emissionsfläche 50 anfänglich eine Aussparung 52 bestimmt (Fig. 4C). Wie vorher erwähnt, ist die Menge von Material, die aus dem Einsatz entfernt wird, eine Funktion des Stromniveaus von dem Brenner, des Durchmessers von dem Einsatz und des Plasmagasstrommusters in dem Brenner.A predetermined amount of the high emissivity material is removed from the insert such that the emission surface 50 initially defines a recess 52 (Fig. 4C). As previously mentioned, the amount of material removed from the insert is a function of the current level from the torch, the diameter of the insert, and the plasma gas flow pattern in the torch.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Material mit hohem Emissionsvermögen unter Verwendung einer Kugelkopfmühle entfernt, die eine dichte Annäherung an die bevorzugte konkave Form schafft. Weil die anfängliche Form von der Aussparung weniger wichtig als die Menge von Material ist, die anfänglich aus dem Einsatz entfernt wird, können andere Vorrichtungen eingesetzt werden, um das Material zu entfernen. Zum Beispiel kann eine Bohrvorrichtung eingesetzt werden, um ein im großen und ganzen zylindrisches Loch in die Mitte von der Emissionsfläche zu bohren.In one embodiment, the high emissivity material is removed using a ball mill that creates a close approximation of the preferred concave shape. Because the initial shape of the recess is less important than the amount of material initially removed from the insert, other devices may be used to remove the material. For example, a drilling device may be used to drill a generally cylindrical hole in the center of the emission surface.

Claims

1. Electrode (40) for a plasma arc cutting torch, wherein the electrode (40)

an elongated electrode body (42) formed from a material with high thermal conductivity and having a bore (44) disposed in a lower end (46) of the electrode body (42) along a central axis (X) through the electrode body (42), and

an insert (48) formed from a material with high thermionic emissivity and arranged in the bore (44) such that an emission surface (50) is exposed from the insert,

characterized in that the emission surface (50) is initially shaped to define a predetermined recess (52) in the insert (48), the predetermined recess (52) having an initial depth with respect to the central axis (X) that is proportional to the operating current level of the torch, the diameter of the insert (48) and the plasma gas flow pattern in the torch, and the initial depth is adjusted to size the recess such that deposition of material having emissivity on a nozzle (24) of the plasma arc cutting torch is minimized.

2. Electrode according to claim 1, wherein the emission surface (50) is shaped to define a substantially concave recess (52).

3. Electrode according to claim 1, wherein the emission surface (50) is shaped to define a substantially cylindrical recess (54).

4. Electrode according to claim 3, wherein the substantially cylindrical recess (54) has a concave portion.

5. The electrode of claim 1, wherein the emitting surface (50) is shaped to define a recess (52) sized to approximate a preferred shape of an arc.

6. An electrode according to any preceding claim, wherein the insert (48) comprises hafnium.

7. An electrode according to any preceding claim, wherein the electrode body (42) comprises copper.

8. A method of making an electrode (40) for a plasma arc cutting torch comprising forming an electrode body (42) from a material having high thermal conductivity, forming a bore (44) in a lower end (46) of the electrode body along a central axis (X) through the electrode body (42), forming an insert (48) from a material having high thermionic emissivity, the insert (48) being arranged in the bore (44) such that an emission surface (50) of the insert (48) is exposed, characterized in that the method further comprises: removing a predetermined amount of the material having high thermionic emissivity from the insert (48) such that the emission surface defines a predetermined recess (52) in the insert (52) with an initial depth with respect to the central axis (X) through the electrode which is proportional to the operating current level of the torch, the diameter of the insert (48) and the plasma gas flow pattern in the torch, and wherein the Initial depth is set to dimension the recess so that the deposition of material with emissivity on a Nozzle (24) of the plasma arc cutting torch is reduced to the minimum size.

9. The method of claim 8, further comprising the step of disposing the insert in the bore (44) to expose the emission surface (50).

10. The method of claim 9, further comprising performing the step of placing prior to the step of removing.

11. The method of any one of claims 8 to 10, wherein the step of removing further comprises forming an emission surface (50) having a substantially concave recess.

12. The method of any one of claims 8 to 10, wherein the step of removing further comprises forming an emission surface having a substantially cylindrical recess (54).

13. The method of any of claims 8 to 12, wherein the removing step further comprises removing a predetermined amount of the high thermionic emissivity material from the insert (48) with a lathe or a ball mill.

14. The method of claim 13, wherein the step of removing further comprises forming a substantially cylindrical recess (54) having a concave portion.